<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention a trait à des installations de tur- bines à gaz avec circuit partiellement fermé, c'est-à-dire à des installations dans lesquelles une partie de l'agent de travail effec tue un circuit ouvert commençant et se terminant à la pression atmosphérique, tandis qu'une autre partie de l'agent de travail effectue un circuit fermé dont le cours de la pression maximum coïncide avec celui du circuit ouvert, la pression la plus faible dans le circuit fermé se trouvantlégèrement supérieure à la "Installation de turbine à gaz à circuit partiellement fermé."
<Desc/Clms Page number 2>
pression atmosphérique.
Dans les propositions connues qui ont été faites concernant de telles installations, le circuit fermé est dérivé du circuit ouvert, immédiatement après le dernier étage de compression, et il ramène, par un échangeur de chaleur, un réchauffeur d'air, une turbine et un réfrigérateur, à un étage intermédiaire convenable de la section de compression de l'installation, tandis que le cir- cuit ouvert mène, par un autre échangeur de chaleur, une chambre de combustion, une ou plusieurs turbines, éventuellement une ou plusieurs chambres de combustion intermédiaireset l'échangeur de chaleur, à l'air libre.
L'invention a trait à des installations avec un agencement réciproque différent des deux circuits, ce qui a pour résultat une simplification de l'installation complète et une amélioration des conditions de fonc'tionnement des éléments les plus chargés, si bien que la vie de l'installation est prolongée et qu'il devient possible de travailler à des pressions et à des températures plus élevées.
A cette fin, la division de l'agent de travail entre des circuits ouvert et fermé est prévue après compression, chauffage et expansion partielle dans une turbine, une partie de l'agent de travail étant, selon l'invention, amenée en circuit fermé dans un échangeur de chaleur à régénération, tout en cédant de la chaleur à l'agent de travail comprimé, et, ensuite, à un étage intermé- diaire du processus de compression, de préférence après un refroi- dissement, tandis que l'autre partie de l'agent de travail, avant d'être déchargée à l'air libre, se détend encore, selon toute sé- quence désirée, dans une ou plusieurs turbines, sert d'air de com- bustion dans la chaudière et:¯cède de la chaleur, par échange de chaleur avec l'agent de travail comprimé, dans un échangeur de cha leur du type à récupération.
Par cet agencement, les deux circuits auront donc des éléments communs dans les gammes élevées de pres- sion et de température, ce qui, d'une part, réduit le prix d'achat
<Desc/Clms Page number 3>
total et, d'autre part, réduit les pertes par fuite et radiation; de plus, l'agent de travail est constitué par de l'air pur, dans les gammes élevées de pression et de température, ce qui est d'une grande importance pour le pouvoir de résistance desdits éléments à la corrosion.
En outre, le système ouvert ne nécessite que l'air qui est requis pour la combustion de la.quantité maximum ou momentanée de combustible, si bien que la plus grande partie de l'effet produit dans l'installation entière peut être laissée au système fermé, qui travaille dans une gamme élevée de pression et que l'on peut donc prévoir, pour un débit donné, avec des éléments plus petite.
Conformément à ce qui précède, il est avantageusement prévu, selon l'invention, dans le circuit ouvert, au moins une turbine entre la chaudière et l'air libre, et de ce fait, on obtient que la combus- tion dans la chaudière s'effectue sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, ce qui occasionnera un accroissement du coefficient de transmission de chaleur à travers la surface chauf- fante de la chaudière et une réduction correspondante des dimen- sions et des pertes par radiation de la chaudière.
L'invention est illustrée par le dessin ci-annexé, dans le- quel : les figures 1 et 2 représentent des schémas de deux modes de réalisation d'installations de turbines à gaz conformes à l'in- vention.
Dans l'installation à arbre unique représentéeà la figure 1, 1 désigne un compresseur à basse pression, qui aspire de l'air at- mosphérique par une branche d'aspiration 2 et l'amène à un com- presseur suivant 4, par l'intermédiaire d'un réfrigérateur 3.
Après que s'est terminée la compression, l'air est réparti entre deux conduits 5 et 6, dont le premier passe par un échangeur de chaleur 7 du type à récupération, dans lequel l'air comprimé reçoit de la chaleur provenant des gaz de déchet de l'installation, tandis que l'autre traverse un échangeur de chaleur 8 du type à
<Desc/Clms Page number 4>
régénération, dans lequel l'air comprimé reçoit de la chaleur pro- venant du côté basse pression du circuit fermé de l'installation.
Les conduits de décharge 9 et 10, respectivement, des échangeurs de chaleur sont réunis en un point 11, duquel part un conduit com- mun 12 menant à un serpentin ou à une surface de chauffe analogue
14, dans un réchauffeur d'air 13, où la quantité totale d'agent de travail est chauffée indirectement à la température de travail la plus élevée.
Avec cette haute pression et cette haute température, la quantité totale de l'agent de travail est amenée, par un conduit
15, à une turbine 16, dont l'arbre 17 commande le groupe compres- seur 1, 4 et éventuellement, rend, en outre, un travail utile par l'intermédiaire d'un arbre 18, avec un raccordement à brides 19.
Dans la turbine 16, l'agent de travail se détend à une pression @ désirée, qui se trouve supérieure ou inférieure à la pression at- mosphérique, et, ensuite, l'agent de travail est réparti entre deux conduits 20 et 26, si bien que la plus grande partie de l'age@ (plus de la moitié) est conduite, par le conduit 20, à l'échangeur de chaleur 8 et, de là, par un conduit 21, en un point 28 de la section de compression, c'est-à-dire à l'entrée du réfrigérateur intermédiaire 3. Ainsi, le circuit fermé du système est complété.
La partie restante de l'agent de travail partiellement dé- tendu, qui, de préférence, n'est pas sensiblement supérieureà la quantité nécessaire pour maintenir la combustion de la quantité de combustible brûlé dans l'installation,est amenée par le con- duit 26, à une turbine à faible pression 27, qui fait travailler l'arbre 17, 18. Dans cette turbine, l'agent de travail se détend pour atteindre approximativement la pression atmosphérique et, en- suite, il est acheminé, par un conduit 22, comme air de combustion à la chaudière 13.
Le combustible est amené de toute manière vou- lue, par exemple par injection par une tuyère 23, et les produits de la combustion, après avoir cédé de la chaleur à la surface
<Desc/Clms Page number 5>
chauffante 14, passent par un conduit 24, qui mène à l'échangeur de chaleur 7, où la chaleur résiduelle est cédée à l'agent de tra- vail comprimé, après quoi les produits de la combustion s'échap- pent à l'air libre par un conduit 25.
On remarquera que les produits de la combustion ne sont présents que dans les parties de l'installation où leur présence est inévitable, c'est-à-dire dans la chambre de combustion de la chaudière 13 et au côté chaud de l'échangeur de chaleur 7 ; conséquent, seules ces parties auront à être prévues en vue d'un nettoyage facile et les points de vue espace et économie permet- tront que l'installation soit pourvue de deux groupes, ou davanta- ge, de chacun desdits éléments, si bien qu'un jeu de ceux-ci pour- ra travailler tandis que les autres seront mis hors fonctionnement pour raison de nettoyage et de réparation. La même chose s'appli- que aux éléments transportant' le gaz de foyer de l'installation modifiée décrite ci-dessous et représentée à la figure 2.
Les autres éléments peuvent, sans souci des possibili- tés de nettoyage, être prévus uniquement dans le but d'obtenir la est plus haute efficience possible, ce qui/d'une importance particuliè- re pour l'échangeur de chaleur 8, qui est du type àrégénération, où une masse absorbant la chaleur, avec de nombreux passages d'écou lement étroits, est alternativement soumise au passage de l'agent cédant de la chaleur et de l'agent absorbant de la chaleur. La masse de régénération peut par exemple être constituée par un corps rotatif, prévu avec son axe de rotation dans une paroi séparant deux canaux par lesquels s'écoulent respectivement l'agent cédant de la chaleur et l'agent absorbant de la chaleur.
Il est également important, pour l'échange de chaleur dans cette partie de l'instal- lation, que l'agent cédant de la chaleur ait une certaine surpres- sion car, de ce fait, la transmission de chaleur est améliorée et @ les dimensions de l'appareil peuvent être réduites, les pertes ré- sultant de fuites étant par conséquent également réduites du fait de la différence de pression plus faible. Un échangeur de chaleur
<Desc/Clms Page number 6>
convenable pour cette application est par exemple décrit dans le brevet belge n 496. 606.
L'installation à deux arbres représentée à la figure 2 dif- fère de l'installation à arbre unique représentée à la figure 1 essentiellement par le fait que sur le trajet des produits de combustion provenant de la chaudière 13 et traversant l'échangeur de chaleur 7 pour atteindre l'air libre, il est prévu une turbine 31, si bien qu'une pression supérieure à la pression atmosphé- rique est maintenue dans la chambre de combustion de la chaudière, en correspondance avec la chute de pression à travers cette turbi- ne.
Pour le reste, les éléments identiques à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes nombres de référence qu'à la figure 1 et le mode de fonctionnement est d'une manière générale le même que pour le cas de la figure 1, sauf en ce que la compression s'ef- fectue en trois étages au lieu de se faire en deux étages, les compresseurs 1 et 4, à faible pression et à pression intermédiaire, sont commandés par la turbine 31, par l'arbre 33 de cette dernière, après quoi l'air passe par un réfrigérateur intermédiaire 29 et est conduit à un compresseur à haute pression 30, commandé par l'arbre 17 de la turbine 16.
Du compresseur à pression élevée, l'air est, comme précédemment, acheminé par des conduits 5 et 6 et des échangeurs de chaleur 7 et 8, à la jonction 11 et, de là, par le conduit 12, à la surface chauffante 14 de la chaudière et, par le conduit 15, à la turbine 16, dans laquelle l'expansion utile à la pression la plus basse du circuit fermé se produit.
Ensuite, l'agent de travail est, comme précédemment, réparti en- tre les conduits 20 et 22, le conduit 22, acheminant la quantité d'air nécessaire pour la combustion à travers la chambre de combus- tion de la chaudière 13, où la combustion s'effectue à une sur- pression,qui est plus tard utilisée dans la turbine 31, dont le conduit d'échappement 32 mène à l'échangeur de chaleur 7, où la chaleur résiduelle est utilisée avant d'être déchargée par le con- duit d'échappement 25.
<Desc/Clms Page number 7>
Dans l'exemple représenté, la turbine 31 suit directement la chaudière 13 et, pour cette raison, travaille dans une gamme de température plutôt élevée, ce qui donne la meilleure effi- cience thermique. Il est toutefois tout à fait possible que la turbine 31 soit placée après l'échangeur de chaleur 7, cas où elle travaillera dans une gamme de température inférieure et où, de ce fait, l'installation aura une efficience thermique légèrement inférieure. Ce dernier fait n'est cependant pas d'importance ca- pitale cat une partie comparativement petite seulement de la con- version totale en énergie se fait dans la turbine 31, si bien qu'une perte possible d'économie peut être compensée par le modè- le moins cher et la durabilité plus grande rendue possible par la température de fonctionnement plus faible de la turbine.
L'invention ne se limite pas aux combinaisons 'spéciales de turbines et de compresseurs représentées. De façon plus parti- culière, on peut, de façon connue en soit, utiliser une turbine séparée et un ou plusieurs groupes compresseurs-turbines à course libre, comprenant chacun uh ou plusieurs étages de compression et d'expansion. Le nombre total des étages de compression peut être supérieur ou inférieur à celui qui a été représenté et tou- te forme de refroidissement voulue peut être appliquée pendant la compression ou entre les étages de compression.
REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
<Desc / Clms Page number 1>
The present invention relates to gas turbine installations with a partially closed circuit, that is to say to installations in which a part of the working agent performs an open circuit starting and ending at the end of the circuit. atmospheric pressure, while another part of the working agent performs a closed circuit whose maximum pressure course coincides with that of the open circuit, the lower pressure in the closed circuit being slightly higher than the "Installation of partially closed circuit gas turbine. "
<Desc / Clms Page number 2>
atmospheric pressure.
In the known proposals which have been made concerning such installations, the closed circuit is derived from the open circuit, immediately after the last compression stage, and it brings back, through a heat exchanger, an air heater, a turbine and a refrigerator, to a suitable intermediate stage of the compression section of the installation, while the open circuit leads, through another heat exchanger, to a combustion chamber, one or more turbines, possibly one or more combustion chambers and the heat exchanger, in the open air.
The invention relates to installations with a different reciprocal arrangement of the two circuits, which results in a simplification of the complete installation and an improvement in the operating conditions of the most heavily loaded elements, so that the life of the unit. the installation is prolonged and it becomes possible to work at higher pressures and temperatures.
To this end, the division of the working agent between open and closed circuits is provided after compression, heating and partial expansion in a turbine, part of the working agent being, according to the invention, brought into a closed circuit. in a regenerative heat exchanger, while transferring heat to the compressed working medium, and then to an intermediate stage of the compression process, preferably after cooling, while the other part of the working agent, before being unloaded in the open air, expands further, in any desired sequence, in one or more turbines, serves as combustion air in the boiler and: ¯ releases heat, by heat exchange with the compressed working medium, in a heat exchanger of the recovery type.
By this arrangement, the two circuits will therefore have common elements in the high pressure and temperature ranges, which, on the one hand, reduces the purchase price.
<Desc / Clms Page number 3>
total and, on the other hand, reduces losses by leakage and radiation; moreover, the working agent consists of pure air, in the high ranges of pressure and temperature, which is of great importance for the resistance of said elements to corrosion.
In addition, the open system only requires the air which is required for the combustion of the maximum or momentary amount of fuel, so that most of the effect produced in the entire installation can be left to the system. closed, which works in a high pressure range and which can therefore be expected, for a given flow, with smaller elements.
In accordance with the foregoing, it is advantageously provided, according to the invention, in the open circuit, at least one turbine between the boiler and the open air, and as a result, it is obtained that the combustion in the boiler s This is carried out at a pressure greater than atmospheric pressure, which will cause an increase in the coefficient of heat transfer through the heating surface of the boiler and a corresponding reduction in the dimensions and radiation losses of the boiler.
The invention is illustrated by the accompanying drawing, in which: FIGS. 1 and 2 represent diagrams of two embodiments of gas turbine installations according to the invention.
In the single-shaft installation shown in figure 1, 1 designates a low pressure compressor, which sucks atmospheric air through a suction branch 2 and brings it to a subsequent compressor 4, through l 'intermediary of a refrigerator 3.
After the compression has ended, the air is distributed between two ducts 5 and 6, the first of which passes through a heat exchanger 7 of the recovery type, in which the compressed air receives heat from the gases of waste from the installation, while the other passes through a heat exchanger 8 of the
<Desc / Clms Page number 4>
regeneration, in which the compressed air receives heat from the low pressure side of the closed circuit of the installation.
The discharge conduits 9 and 10, respectively, of the heat exchangers are joined at a point 11, from which a common conduit 12 leads to a coil or a similar heating surface.
14, in an air heater 13, where the total amount of working agent is indirectly heated to the highest working temperature.
With this high pressure and this high temperature, the total quantity of the working agent is brought, by a pipe
15, to a turbine 16, the shaft 17 of which controls the compressor unit 1, 4 and optionally, in addition, provides useful work via a shaft 18, with a flanged connection 19.
In the turbine 16, the working agent expands to a desired pressure, which is higher or lower than the atmospheric pressure, and then the working agent is distributed between two conduits 20 and 26, if although the greater part of the age @ (more than half) is conducted, through duct 20, to heat exchanger 8 and, from there, through duct 21, to point 28 of the section of compression, that is to say at the inlet of the intermediate refrigerator 3. Thus, the closed circuit of the system is completed.
The remaining part of the partially expanded working medium, which preferably is not appreciably greater than the amount necessary to maintain combustion of the amount of fuel burnt in the plant, is fed through the duct 26, to a low pressure turbine 27, which makes the shaft 17, 18 work. In this turbine, the working agent expands to approximately atmospheric pressure and, then, it is conveyed, through a duct. 22, as combustion air to the boiler 13.
The fuel is supplied in any desired manner, for example by injection through a nozzle 23, and the products of combustion, after having transferred heat to the surface.
<Desc / Clms Page number 5>
heater 14, pass through a duct 24, which leads to the heat exchanger 7, where the residual heat is transferred to the compressed working medium, after which the products of combustion escape to the free air through a duct 25.
It will be noted that the combustion products are only present in the parts of the installation where their presence is inevitable, that is to say in the combustion chamber of the boiler 13 and on the hot side of the heat exchanger. heat 7; Therefore, only these parts will have to be provided for easy cleaning and the space and economy points of view will allow the installation to be provided with two groups, or more, of each of said elements, so that 'one set of these will be able to work while the others will be taken out of operation for cleaning and repair. The same applies to the elements carrying the combustion gas of the modified installation described below and shown in figure 2.
The other elements can, regardless of the possibilities of cleaning, be provided only for the purpose of obtaining the highest possible efficiency, which is of particular importance for the heat exchanger 8, which is of the regenerative type, where a heat-absorbing mass, with many narrow flow passages, is alternately subjected to the passage of the heat-releasing agent and the heat-absorbing agent. The regeneration mass may for example consist of a rotating body, provided with its axis of rotation in a wall separating two channels through which the heat transfer agent and the heat absorbent agent flow respectively.
It is also important for the heat exchange in this part of the installation that the heat releasing agent has a certain overpressure, because thereby the heat transfer is improved and The dimensions of the apparatus can be reduced, the losses resulting from leaks being therefore also reduced due to the lower pressure difference. A heat exchanger
<Desc / Clms Page number 6>
suitable for this application is for example described in Belgian patent no. 496,606.
The two-shaft installation shown in Figure 2 differs from the single-shaft installation shown in Figure 1 essentially in that on the path of the combustion products coming from the boiler 13 and passing through the heat exchanger 7 to reach the open air, a turbine 31 is provided, so that a pressure greater than atmospheric pressure is maintained in the combustion chamber of the boiler, in correspondence with the pressure drop across this turbine. - born.
For the rest, the elements identical to those of Figure 1 are designated by the same reference numbers as in Figure 1 and the operating mode is generally the same as for the case of Figure 1, except in that the compression takes place in three stages instead of being done in two stages, the compressors 1 and 4, at low pressure and at intermediate pressure, are controlled by the turbine 31, by the shaft 33 of this last, after which the air passes through an intermediate refrigerator 29 and is led to a high pressure compressor 30, controlled by the shaft 17 of the turbine 16.
From the high pressure compressor, the air is, as before, supplied through ducts 5 and 6 and heat exchangers 7 and 8, to junction 11 and, from there, through duct 12, to the heating surface 14 of the boiler and, through line 15, to the turbine 16, in which the useful expansion at the lowest pressure of the closed circuit occurs.
Then, as before, the working agent is distributed between the ducts 20 and 22, the duct 22, conveying the quantity of air necessary for the combustion through the combustion chamber of the boiler 13, where combustion takes place at an overpressure, which is later used in the turbine 31, the exhaust duct 32 of which leads to the heat exchanger 7, where the residual heat is used before being discharged by the exhaust pipe 25.
<Desc / Clms Page number 7>
In the example shown, the turbine 31 directly follows the boiler 13 and, for this reason, works in a rather high temperature range, which gives the best thermal efficiency. However, it is quite possible that the turbine 31 is placed after the heat exchanger 7, in which case it will work in a lower temperature range and where, therefore, the installation will have a slightly lower thermal efficiency. This latter fact, however, is not of major importance since only a comparatively small part of the total energy conversion takes place in the turbine 31, so that a possible loss of economy can be compensated by the cheaper model and greater durability made possible by the lower operating temperature of the turbine.
The invention is not limited to the special combinations of turbines and compressors shown. More particularly, it is possible, in a manner known per se, to use a separate turbine and one or more free-stroke compressor-turbine groups, each comprising one or more compression and expansion stages. The total number of compression stages may be greater or less than that shown and any desired form of cooling may be applied during compression or between compression stages.
CLAIMS.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.